(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向のなす相対角度が外部磁界に応答して変化する第１及び第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に位置するスペーサ層と、
を有する磁気抵抗効果素子であって、
前記第１の磁性層は、前記磁気抵抗効果素子が形成される基板に対し、前記第２の磁性層よりも近い側に位置し、
前記スペーサ層は、
酸化ガリウムを主成分とする主スペーサ層と、
前記主スペーサ層と前記第１の磁性層との間に位置し、モル分率で５０％以上が酸化された銅を主成分とするボトム層と、を有している、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記ボトム層は、前記第１の磁性層に近いほど酸化された銅の原子分率の比率が低くなっている、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記ボトム層に含まれる酸化された銅はＣｕ2Ｏから構成されている、請求項１または２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を有する磁気ヘッド。
【請求項５】
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の一方が、外部磁界に応答して磁化方向が変化する磁化自由層であり、他方が、磁化方向が固定された磁化固定層であり、
前記磁気抵抗効果素子のトラック幅方向両側に設けられ、前記磁化自由層に前記トラック幅方向のバイアス磁界を印加する一対のバイアス磁界印加層を有する、請求項４に記載の磁気ヘッド。
【請求項６】
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層は共に、外部磁界に応答して磁化方向が変化する磁化自由層であり、
媒体対向面から見て前記磁気抵抗効果素子の裏面側に設けられ、前記第１及び第２の磁性層に前記媒体対向面と直交する方向のバイアス磁界を印加するバイアス磁界印加層を有する、請求項４に記載の磁気ヘッド。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか１項に記載の磁気ヘッドを有する磁気ヘッドスライダ。
【請求項８】
請求項４から６のいずれか１項に記載の磁気ヘッドを有するヘッドジンバルアセンブリ。
【請求項９】
請求項４から６のいずれか１項に記載の磁気ヘッドを有するハードディスクドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗効果素子に関し、特に、スペーサ層の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の高記録密度化に伴い、高感度、高出力の再生ヘッドが要求されている。このような再生ヘッドの一つとしてスピンバルブヘッドが開発されている。スピンバルブヘッドは、非磁性金属層と、非磁性金属層の両面に非磁性金属層に接して位置する一対の強磁性層と、を有している。強磁性層の一方は磁化方向が一方向に固定されており（以下、このような層を磁化固定層という）、他方は磁化方向が外部磁界に応答して自由に回転する（以下、このような層を磁化自由層という）。外部磁界が印加されると磁化固定層と磁化自由層との間のスピンの相対角度が変化し、磁気抵抗変化が実現される。磁化固定層は典型的には、反強磁性層の交換結合力を利用して磁化方向が固定されている。
【０００３】
一方、更なる高記録密度化を実現するためにはリードギャップ（上下シールド層間の間隔）の縮小が必要である。しかし、リードギャップを２０ｎｍ程度まで縮小する場合、反強磁性層をリードギャップ内に配置することが困難となる。このため、一対の磁化自由層をスペーサ層の両側に配置する構成が開発されている。この構成によれば反強磁性層が不要であるため、リードギャップの縮小の実現が容易となる。
【０００４】
いずれの構成においても、スペーサ層は磁気抵抗変化を実現するための必須の構成要素であり、大きな磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ変化率という）の達成に有望なスペーサ層の材料が開発されている。従来から、スペーサ層に抵抗調整層を設け、センス電流の流れる経路を絞ることによってＭＲ変化率を高める技術が知られている。しかしこの技術は、導電部にセンス電流が集中し電流密度が高まるので、信頼性の観点からは好ましくない。特許文献１には、ＺｎＯ，ＴｉＯなどの酸化物半導体層をスペーサ層の一部として用いる技術が開示されている。この技術によればセンス電流の集中を防止することができるため、ＭＲ変化率を高めつつ、信頼性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８/００６２５５７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スペーサ層と隣接する強磁性層は、一般にＣｏ, Ｎｉ, Ｆｅ等を主成分としている。これらの元素が酸化物半導体層と接触して配置されていると酸化物半導体層に含まれる酸素の酸化作用によって強磁性層が酸化し、分極率が低下し、ＭＲ変化率が低下する可能性がある。特許文献１にはさらに、ＣｏＦｅ等からなる強磁性層と酸化物半導体層との間に銅、金、銀などからなる非磁性金属層を設ける技術が開示されている。これらの非磁性金属層は酸化物半導体に含まれる酸素の拡散を防止し、強磁性層の酸化を防止することが期待されるが、酸化防止膜として機能させるためにはある程度の膜厚が必要となる。一方、膜厚を大きくしすぎると酸化防止効果は得られるものの電子が散乱されやすくなり、ＭＲ変化率が低下する。このため、酸化防止と電子の散乱防止という２つの要求をバランスさせることが難しい。
【０００７】
本発明は、スペーサ層に隣接する磁性層の酸化を防止し、かつ大きなＭＲ変化率を実現することのできる磁気抵抗効果素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の磁気抵抗効果素子は、外部磁界に応答して磁化方向のなす相対角度が変化する第１及び第２の磁性層と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に位置するスペーサ層と、を有している。第１の磁性層は、磁気抵抗効果素子が形成される基板に対し、第２の磁性層よりも近い側に位置している。スペーサ層は、酸化ガリウムを主成分とする主スペーサ層と、主スペーサ層と第１の磁性層との間に位置し、モル分率で５０％以上が酸化された銅を主成分とするボトム層と、を有している。
【０００９】
酸化ガリウムを主成分とする主スペーサ層を備えるスペーサ層は、銅などの金属層で形成された従来のスペーサ層よりも大きなＭＲ変化率を実現することができる。酸化ガリウムは薄膜状態では通常アモルファス状態で存在するが、アモルファス状態であっても大きなバンドギャップを持つことができ、また、スペーサ層と隣接する磁性層との格子整合（隣接する２つの材料の格子定数が一致すること）が不要であるという利点も持っている。
【００１０】
一方、上述のように、スペーサ層と隣接する磁性層は、一般にＣｏ, Ｎｉ, Ｆｅ等を主成分としている。このため、これらの元素が酸化ガリウムと接触して配置されていると、酸化ガリウムに含まれる酸素の酸化作用によって磁性層が酸化し、ＭＲ変化率が低下する可能性がある。具体的には、酸化ガリウムは、それに含まれる酸素が拡散して第１の磁性層を構成する元素を酸化させ、分極率を低下させて、ＭＲ変化率を低下させる可能性がある。
【００１１】
そこで本発明では、スペーサ層は、一部が酸化された銅を主成分とするボトム層を備えている。銅は酸化ガリウムに含まれている酸素の拡散を防止する効果がある。また、酸化された銅は酸化されていない銅と比べて電子の散乱が生じにくい。このようなボトム層を設けることによって、銅の酸化防止効果を確保しつつ、電子の散乱を抑え、ＭＲ変化率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、スペーサ層に隣接する磁性層の酸化を防止し、かつ大きなＭＲ変化率を実現することのできる磁気抵抗効果素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る薄膜磁気ヘッドの要部断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ方向、すなわち媒体対向面から見た磁気抵抗効果素子の側面図である。
【図３】第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の、図１と同じ方向から見た断面図である。
【図４】第２の実施形態に係る薄膜磁気ヘッドの作動原理を示す模式図である。
【図５】ボトム層のＥＥＬＳ分析結果を示す図である。
【図６】本発明の磁気ヘッドスライダの斜視図である。
【図７】本発明のヘッドアームアセンブリの斜視図である。
【図８】本発明のヘッドスタックアセンブリの側方図である。
【図９】本発明のハードディスクドライブ装置の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素子と、その磁気抵抗効果素子を用いた薄膜磁気ヘッドのいくつかの実施形態を、図面を用いて説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る薄膜磁気ヘッド１の要部断面図を示している。薄膜磁気ヘッド１は基板Ｗ上に形成され、再生ヘッド２と記録ヘッド３とを有している。図２は、図１のＡ−Ａ方向から見た再生ヘッド２の側面図、すなわち媒体対向面Ｓにおける再生ヘッド２の層構成を示している。媒体対向面Ｓとは、薄膜磁気ヘッド１の、記録媒体Ｍと対向する面である。まず、図２を参照して、再生ヘッド２の構成について説明する。
【００１６】
再生ヘッド２は、スピンバルブタイプの磁気抵抗効果素子４と、磁気抵抗効果素子４を膜面直交方向（積層方向）Ｐに挟むように設けられた上部及び下部シールド層６，５と、磁気抵抗効果素子４のトラック幅方向Ｔ（図１においては紙面直交方向）両側に設けられたバイアス磁界印加層３２と、を有している。磁気抵抗効果素子４の先端部は図１に示すように、媒体対向面Ｓに配置されている。磁気抵抗効果素子４は、上部シールド層６と下部シールド層５との間にかかる電圧によって、センス電流Ｓが膜面直交方向Ｐに流れるようにされている。磁気抵抗効果素子４と対向する位置における記録媒体Ｍからの磁場は、記録媒体Ｍの回転につれて変化する。磁界の変化は磁気抵抗効果に基づくセンス電流Ｓの電気抵抗変化として検出される。磁気抵抗効果素子４は、この原理を利用して、記録媒体Ｍに書き込まれた磁気情報を読み出す。
【００１７】
表１には、磁気抵抗効果素子４の層構成の一例を示す。表１は、下部シールド層５から上部シールド層６まで、積層順に下から上に記載している。
【００１８】
【表１】
0005316633.tif 000002
【００１９】
磁気抵抗効果素子４は、ＮｉＦｅ層からなる下部シールド層５の上に、下地層１１、反強磁性層１２、外側磁化固定層１３、交換結合伝達層１４、内側磁化固定層１５（第１の磁性層Ｌ１）、スペーサ層１６、磁化自由層１７（第２の磁性層Ｌ２）、保護層１８がこの順に積層された層構成を有している。保護層１８はＮｉＦｅ層からなる上部シールド層６に覆われている。
【００２０】
下地層１１は、その上に積層される反強磁性層１２と外側磁化固定層１３との良好な交換結合を得るために設けられている。外側磁化固定層１３はＩｒＭｎからなる反強磁性層１２と交換結合している。外側磁化固定層１３はＲｕからなる交換結合伝達層１４を介して、内側磁化固定層１５と交換結合している。この結果、内側磁化固定層１５の磁化方向は強固に固定されている。内側磁化固定層１５は膜面内で、媒体対向面Ｓと直交する方向に磁化されていることが望ましい。内側磁化固定層１５と外側磁化固定層１３は互いに反平行の向きに磁化方向が固定されているため、これらを合わせた部分の全体的な磁化が抑制される。内側磁化固定層１５の上には、スペーサ層１６を挟んで、外部磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層１７が設けられている。保護層１８は、積層された各層が劣化することを防止するために設けられている。外側及び内側磁化固定層１３，１５並びに磁化自由層１７は典型的にはＣｏＦｅからなるが、Ｎｉを含んでいてもよい。
【００２１】
磁気抵抗効果素子４のトラック幅方向Ｔ両側には、絶縁膜３１を介してバイアス磁界印加層３２が形成されている。バイアス磁界印加層３２は磁化自由層１７を単磁区化するための磁区制御膜であり、磁化自由層１７にトラック幅方向Ｔのバイアス磁界を印加する。絶縁膜３１はＡｌ2Ｏ3、バイアス磁界印加層３２はＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔなどで形成される。
【００２２】
センス電流Ｓは、磁気抵抗効果素子４に、膜面直交方向Ｐに流れるようにされている。センス電流Ｓは、電極を兼ねる上部及び下部シールド層６，５から供給される。磁化自由層１７の磁化方向は、外部磁界が印加されていない状態では、バイアス磁界印加層３２からのバイアス磁界によって、トラック幅方向Ｔ、すなわち内側磁化固定層１５の磁化方向と直交する向きに制御されている。記録媒体Ｍからの外部磁界が磁化自由層１７に印加されると、磁化自由層１７の磁化方向は外部磁界の向き及び強さに応じて、膜面内を所定の方向に所定の角度だけ回転する。磁化自由層１７の磁化方向は内側磁化固定層１５の磁化方向に対して、外部磁界の向き及び強さに応じた相対角度をなし、相対角度に応じて伝導電子のスピン依存散乱が変化して磁気抵抗変化が生じる。磁気抵抗効果素子４は、この磁気抵抗変化を検出して、記録媒体Ｍの磁気情報を読み取る。
【００２３】
磁化自由層１７と外側及び内側磁化固定層１３，１５とはスペーサ層１６に関して上下逆に設けられてもよい。換言すれば、磁化自由層１７が外側及び内側磁化固定層１３，１５よりも基板Ｗに近い側に位置していてもよい。具体的には、内側磁化固定層１５から反強磁性層１２までの各層が保護層１８とスペーサ層１６の間に（内側磁化固定層１５が最も下側に、反強磁性層１２が最も上側になるように配置される）、磁化自由層１７が下地層１１とスペーサ層１６の間に配置される。
【００２４】
本明細書では、磁化自由層１７と内側磁化固定層１５のうち、磁気抵抗効果素子４が形成される基板Ｗに近い側、すなわち積層方向に見てスペーサ層１６の下側に位置する層を第１の磁性層Ｌ１と呼び、基板Ｗから見て第１の磁性層Ｌ１より遠い側、すなわち積層方向に見てスペーサ層１６の上側に位置する層を第２の磁性層Ｌ２と呼ぶ。表１に示す層構成では、内側磁化固定層１５が第１の磁性層Ｌ１、磁化自由層１７が第２の磁性層Ｌ２であり、逆の位置関係の層構成では、磁化自由層１７が第１の磁性層Ｌ１、内側磁化固定層１５が第２の磁性層Ｌ２となる。
【００２５】
スペーサ層１６は、酸化ガリウムを主成分とする主スペーサ層１６ｂを含んでいる。主スペーサ層１６ｂは酸化ガリウム以外の添加物、例えば金属酸化物を含んでいてよいが、主スペーサ層１６ｂ中の酸化ガリウムはモル分率で５０%以上であることが好ましい。酸化ガリウムの組成は一般式ＧａＯｘで表わされ、ｘの範囲は１.４５≦ｘ≦１.５５である。主スペーサ層１６ｂは、通常はアモルファスの状態で形成される。ＧａＯｘは、従来スペーサ層に用いられていたＣｕと比べて抵抗値が大きく、抵抗変化も大きい。このため、Ｃｕをスペーサ層として用いた従来の磁気抵抗効果素子と比べて大きなＭＲ変化率を得ることができる。
【００２６】
酸化ガリウムは高いＭＲ変化率を実現するために有望な材料であるが、酸素を含んでいるため、第１及び第２の磁性層Ｌ１，Ｌ２が主スペーサ層１６ｂに隣接していると、第１及び第２の磁性層Ｌ１，Ｌ２に含まれるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の元素、特にＦｅを酸化する傾向がある。これらの元素が酸化するとＭＲ変化率は低下する傾向にある。
【００２７】
そのため、主スペーサ層１６ｂと第１の磁性層Ｌ１とが直接接触するのを避け、第１の磁性層Ｌ１の酸化を効果的に防止する目的で、スペーサ層１６は、主スペーサ層１６ｂと第１の磁性層Ｌ１との間に位置するボトム層１６ａを有している。ボトム層１６ａは一部が酸化されたＣｕを主成分とし、主スペーサ層１６ｂと第１の磁性層Ｌ１の双方に接して位置している。ボトム層１６ａはＣｕ以外の添加物を含んでいてよいが、ボトム層１６ａ中の一部が酸化されたＣｕはモル分率で５０%以上であることが好ましい。
【００２８】
同様の目的で、スペーサ層１６は、主スペーサ層１６ｂと第２の磁性層Ｌ２との間に双方に接して位置する、銅または亜鉛からなる非磁性層１６ｃを有している。非磁性層１６ｃは第２の磁性層Ｌ２の酸化を防止することができる。非磁性層１６ｃは好ましくは実質的に銅または亜鉛からなり、若干の添加物を含んでいてよい。非磁性層１６ｃは一部が酸化していてもよい。つまり、非磁性層１６ｃは実質的に銅または亜鉛と、酸素と、からなっていてもよい。
【００２９】
上述のようにボトム層１６ａは一部が酸化されたＣｕを主成分としている。すなわち、ボトム層１６ａは、金属のＣｕとＣｕの酸化物との混合物を主成分としている。金属状態のＣｕは電子を散乱させやすいため、ボトム層１６ａが金属状態のＣｕだけを主成分として構成されていると、電子の散乱のためにＭＲ変化率が低下する。Ｃｕの酸化物は金属状態のＣｕと比べて電子の散乱が生じにくいため、ボトム層１６ａにＣｕの酸化物が含まれていることによって、ボトム層１６ａでの電子の散乱が生じにくくなる。第１の磁性層Ｌ１の酸化は主に、酸化されていない金属状態のＣｕで防止し、金属状態のＣｕで生じ易い電子の散乱をＣｕの酸化物で防止することによって、第１の磁性層Ｌ１の酸化と電子の散乱を共に抑制することができる。
【００３０】
第１の磁性層Ｌ１の酸化を防止する効果を高めるためには、ボトム層１６ａは、第１の磁性層Ｌ１に近いほど、酸化されたＣｕの原子分率の比率が低くなっていることが好ましく、ボトム層１６ａの第１の磁性層Ｌ１との隣接部は酸化されていない金属状態のＣｕだけを含んでいることがさらに好ましい。本実施形態では、ボトム層１６ａを形成する際に、金属状態のＣｕ膜を成膜し、その後にプラズマ酸化処理を行いＣｕ膜の一部を酸化させる。このため、Ｃｕ膜の上部が酸化されやすく、下部が酸化されにくく、このようなＣｕの分布を容易に得ることができる。
【００３１】
Ｃｕは１価の酸化状態（Ｃｕ2Ｏ）と２価の酸化状態（ＣｕＯ）をとることができるＣｕ2Ｏは酸化物であるため電子の散乱が生じにくい一方、ＣｕＯと比べて酸素の比率が低いため、Ｃｕと結合した酸素がＣｕから離脱し第１の磁性層Ｌ１を酸化させた場合でもその程度は限定的である。このような理由により、ボトム層１６ａのＣｕの酸化物は、Ｃｕ2Ｏを含むことが好ましい。ＣｕＯよりもＣｕ2Ｏの原子分率が高い方がより好ましく、ボトム層１６ａのＣｕの酸化物が実質的にＣｕ2Ｏから構成されていることが更に好ましい。Ｃｕ2ＯとＣｕＯの比率は、プラズマ酸化処理の処理条件（処理時間など）を適切に選択することによって調整することができる。
【００３２】
再び図１を参照すると、再生ヘッド２の上には、スパッタリング等によって形成された素子間シールド層８を介して記録ヘッド３が設けられている。記録ヘッド３はいわゆる垂直磁気記録用の構成を有している。書込のための磁極層は主磁極層２１と補助磁極層２２とからなる。これらの磁極層は、フレームめっき法等によって形成される。主磁極層２１は、ＦｅＣｏから形成され、媒体対向面Ｓにおいて、媒体対向面Ｓとほぼ直交する向きで配置されている。主磁極層２１の周囲には、絶縁材料からなるギャップ層２４の上を延びるコイル層２３が巻回しており、コイル層２３によって主磁極層２１に磁束が誘導される。コイル層２３は、フレームめっき法等によって形成される。この磁束は主磁極層２１の内部を導かれ、媒体対向面Ｓから記録媒体Ｍに向けて放出される。主磁極層２１は、媒体対向面Ｓ付近で、膜面直交方向Ｐだけでなく、トラック幅方向Ｔにも絞られており、高記録密度化に対応した微細で強い書込磁場を発生する。
【００３３】
補助磁極層２２は主磁極層２１と磁気的に結合した磁性層である。補助磁極層２２はＮｉ，Ｆｅ，Ｃｏのいずれか２つまたは３つからなる合金などで形成された、膜厚約０．０１μｍ〜約０．５μｍの磁極層である。補助磁極層２２は主磁極層２１から分岐して設けられ、媒体対向面Ｓ側ではギャップ層２４及びコイル絶縁層２５を介して主磁極層２１と対向している。補助磁極層２２の媒体対向面Ｓ側の端部は、補助磁極層２２の他の部分より層断面が広いトレーリングシールド部を形成している。このような補助磁極層２２を設けることによって、媒体対向面Ｓ近傍において、補助磁極層２２と主磁極層２１との間の磁場勾配がより急峻になる。この結果、信号出力のジッタが小さくなり、読み出し時のエラーレートを小さくすることができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
本実施形態の薄膜磁気ヘッド１は、再生ヘッド２の構成を除いて、図１に示す第１の実施形態と同一である。図３及び表２には、このような磁気抵抗効果素子の層構成を示している。再生ヘッド１０２は、第１の実施形態と同様に多数の層が積層された磁気抵抗効果素子１０４と、磁気抵抗効果素子１０４を膜面直交方向Ｐ（積層方向）に挟むように設けられた上部及び下部シールド層１０６，１０５と、を有している。上部及び下部シールド層１０６，１０５はセンス電流Ｓの電極としても用いられ、センス電流Ｓを磁気抵抗効果素子１０４の膜面直交方向Ｐに流す。
【００３５】
本実施形態では、第１の磁性層Ｌ１と第２の磁性層Ｌ２は共に、外部磁界に応答して磁化方向が変化する磁化自由層１１５，１１７である。バイアス磁界印加層１３２は媒体対向面Ｓから見て磁気抵抗効果素子１０４の裏面側に、絶縁層１３１を介して設けられ、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７（第１及び第２の磁性層Ｌ１，Ｌ２）に媒体対向面Ｓと直交する方向のバイアス磁界を印加する。第１、第２の磁化自由層１１５，１１７の間にはスペーサ層１１６が設けられている。第１の磁化自由層１１５と下部シールド層１０５の間には、第１の磁気的連結層１１１が、第２の磁化自由層１１７と上部シールド層１０６の間には、第２の磁気的連結層１１８がそれぞれ設けられている。
【００３６】
【表２】
0005316633.tif 000003
【００３７】
下部シールド層１０５は、第１の主シールド層１０５ａと、第１の主シールド層１０５ａ上に積層された第１の反強磁性層１０５ｂ及び第１の交換結合磁界印加層１０５ｃと、を有している。第１の交換結合磁界印加層１０５ｃは第１の反強磁性層１０５ｂとの反強磁性結合によって、トラック幅方向Ｔに磁化方向が固定されている。同様に、上部シールド層１０６は、第２の主シールド層１０６ａと、第２の主シールド層１０６ａの下方に積層された第２の反強磁性層１０６ｂ及び第２の交換結合磁界印加層１０６ｃと、を有している。第２の交換結合磁界印加層１０６ｃは第２の反強磁性層１０６ｂとの反強磁性結合によって、トラック幅方向Ｔに磁化方向が固定されている。第１及び第２の交換結合磁界印加層１０５ｃ，１０６ｃは、共に同じ方向に磁化されている。他の実施形態では、第１及び第２の反強磁性層１０５ｂ，１０６ｂと第１及び第２の交換結合磁界印加層１０５ｃ，１０６ｃを設ける代わりに、第１及び第２の主シールド層１０５ａ，１０６ａをトラック幅方向Ｔに細長い形状として、形状異方性効果を用いて単磁区化し、磁化方向が同じ方向を向くようにすることもできる。
【００３８】
第１の磁気的連結層１１１は、ＣｏＦｅからなるギャップ調整層１１１ｂ，１１１ｄとＲｕからなる交換結合伝達層１１１ａ，１１１ｃ，１１１ｅとが交互に積層された構造を有し、交換結合伝達層１１１ａ，１１１ｅが両側端面に位置している。第２の磁気的連結層１１８も第１の磁気的連結層１１１と同様、ＣｏＦｅからなるギャップ調整層１１８ｂとＲｕからなる交換結合伝達層１１８ａ，１１８ｃとが交互に積層された構造を有し、交換結合伝達層１１８ａ，１１８ｃが両側端面に位置している。交換結合伝達層１１１ａ，１１１ｃ，１１１ｅを挟む一対の磁性層１０５ｃ，１１１ｂ，１１１ｄ，１１５、及び交換結合伝達層１１８ａ，１１８ｃを挟む一対の磁性層１０６ｃ，１１８ｂ，１１７は交換結合をし、図３に示すように、磁化方向が交互に反転している（バイアス磁界は印加されていないとしている）。
【００３９】
ギャップ調整層１１１ｂ，１１１ｄ，１１８ｂの膜厚を調整することで、磁気抵抗効果素子１０４の総膜厚をシールドギャップに合わせて調整することができる。高記録密度を実現するためにはシールドギャップは小さいほど有利であるが、シールドギャップはバイアス磁界印加層１３２の必要膜厚によって決定される場合がある。そのような場合、ギャップ調整層１１１ｂ，１１１ｄ，１１８ｂの膜厚を変えることで、磁気抵抗効果素子１０４の総膜厚、すなわちシールドギャップを調整することが好ましい。
【００４０】
以上説明した磁気抵抗効果素子１０４は以下のように作動する。まず、バイアス磁界印加層１３２がない仮想的な状態を考える。図４は、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化を示す模式図である。第１及び第２の交換結合磁界印加層１０５ｃ，１０６ｃの磁化方向は交換結合伝達層１１１ａ，１１１ｃ，１１１ｅ，１１８ａ，１１８ｃを介してギャップ調整層１１１ｂ, １１１ｄ, １１８ｂで反転しながら、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７まで伝達される。従って、第１の磁化自由層１１５はトラック幅方向Ｔに、第１の交換結合磁界印加層１０５ｃの磁化方向と反平行の向きｙ１に磁化される。第２の磁化自由層１１７はトラック幅方向Ｔに、第２の交換結合磁界印加層１０６ｃの磁化方向と同じ向きｙ２に磁化される。
【００４１】
次に、バイアス磁界が印加された状態を考える。バイアス磁界はトラック幅方向Ｔを向いた第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向を媒体対向面Ｓと直交する方向に向けて回転させる。図４の実線矢印ｘ１，ｘ２で示すように、破線矢印ｙ１，ｙ２から互いに逆回りの方向に所定の角度θだけ回転し、理想的には互いに直交する。これが、外部磁界の掛っていない場合の第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化状態である。
【００４２】
この状態で、図中白抜き矢印で示すように外部磁界が印加されると、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向は、外部磁界の向きに応じて、互いに逆回りの方向に回転する。図中Ａ方向に外部磁界が印加されると、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向（実線矢印ｘ１，ｘ２）は図中ａ方向に回転し、図中Ｂ方向に外部磁界が印加されると、第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向は図中ｂ方向に回転する。このようにして、外部磁界に応じて第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向のなす相対角度が変化し、磁気抵抗効果に基づき、センス電流Ｓの抵抗値が変動する。この原理を利用して、磁気抵抗効果素子１０４は外部磁界の向き及び強度を検出することができる。
【００４３】
このように、本実施形態の磁気抵抗効果素子１０４は、外部磁界に応じて磁化方向が変化する一対の磁化自由層１１５，１１７と、これらに挟まれたスペーサ層１１６と、を有している。磁気抵抗効果素子１０４は、一対の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向がともに外部磁界に応じて回転する点で第１の実施形態と異なるが、スペーサ層１１６としては第１の実施形態におけるスペーサ層１６と同じ構成を利用することができる。
【００４４】
第１及び第２の磁化自由層１１５，１１７の磁化方向は、第１及び第２の磁気的連結層１１１，１１８に含まれるＲｕ層およびギャップ調整層の総数を調整することによって反転させることができる。例えば、上部シールド層１０６と下部シールド層１０５の磁化方向が反平行である場合、表３に示すように、第１の磁気的連結層１１１を２層のＲｕ層１１１ａ，１１１ｃとその間に挿入される１層のギャップ調整層１１１ｂとで構成することによって、第１の磁化自由層１１５の磁化方向を反転させることができる。同様に、図示は省略するが、表２に示す構成において、第２の磁気的連結層１１８を第１の磁気的連結層１１１と同様の５層構成とすることによっても同様の効果を得ることができる。
【００４５】
【表３】
0005316633.tif 000004
【００４６】
次に、以上説明した磁気抵抗効果素子の製造方法について、第１の実施形態の磁気抵抗効果素子を例に説明する。まず、基板Ｗ上に、必要に応じ絶縁層を介して、めっき法により下部シールド層５を作成し、次に、磁気抵抗効果素子４を構成する各層をスパッタリングによって成膜する。具体的にはターゲットと基板Ｗを収容した成膜チャンバを減圧して高真空雰囲気にした後、アルゴン等の不活性ガスを成膜チャンバに導入する。イオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させることで、ターゲットから微細な粒子をたたき出し、下部シールド層５の上に順次堆積させていく。
【００４７】
ボトム層１６ａの成膜時には、まず第１の磁性層Ｌ１の上に金属状態のＣｕ膜を成膜する。次にＣｕ膜に対してプラズマ酸化処理を行い、成膜されたＣｕ膜の一部を酸化する。これによって、部分的に酸化されたＣｕを主成分とするボトム層１６ａを得ることができる。ボトム層１６ａは、Ｃｕ膜を成膜し、その上に酸化銅を成膜することによって得ることもできる。
【００４８】
主スペーサ層１６ｂの成膜時にはターゲットとして酸化ガリウムを用いる。
【００４９】
次に、成膜された多層膜を磁気抵抗効果素子４の柱状の形状に形成し、磁気抵抗効果素子４の側面を絶縁層３１で覆い、バイアス磁界印加層３２を、磁気抵抗効果素子４のトラック幅方向Ｔ両側に形成し、磁気抵抗効果素子４及びバイアス磁界印加層３２の上に上部シールド層６を形成する。第２の実施形態の場合、バイアス磁界印加層１３２は媒体対向面Ｓからみて磁気抵抗効果素子４の裏側に形成する。
【００５０】
（実施例）
表２に示す層構成の磁気抵抗効果膜を、スパッタリング装置を用いて、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣ（ＡＬＴＩＣ）からなる基板上に成膜した。非磁性層１１６ｃはＺｎとした。成膜チャンバ圧力は１０-6Ｐａ以下の真空に減圧した後、成膜チャンバ内にＡｒガスを導入し、スパッタ圧力約０．１Ｐａで各層を成膜した。酸化ガリウム層はＲＦスパッタリング法で成膜し、その他の膜はＤＣマグネトロンスパッタ法で成膜した。ボトム層は、金属状態のＣｕ膜を成膜し、その後酸素プラズマ処理（パワー３０Ｗ、Ａｒガス流量１０ｍＬ/ｍｉｎ、酸素ガス流量２０ｍＬ/ｍｉｎ）によってＣｕ膜の一部を酸化させることによって形成した。表２に示す各層を成膜後、２５０℃で３時間熱処理（アニール）を行い、ジャンクションサイズ０．２μｍ×０．２μｍの磁気抵抗効果素子とした。第１及び第２の磁化自由層は外部磁界がない状態では互いに直交する方向を向いているが、外部磁界を印加すると自由に回転し、磁気抵抗効果を生じる。
【００５１】
この磁気抵抗効果素子において、表４に示すようにＣｕ膜の酸素プラズマ処理時間を変えてＣｕ膜の酸化の程度を変化させて、ＭＲ変化率を求めた。比較のために比較例１，２のサンプルも作成した。比較例１は酸素プラズマ処理を行っておらず、ボトム層はＣｕのみからなっている。比較例２はＣｕが全て酸化しており、かつ２価の酸化状態（ＣｕＯ）になっている。Ｃｕの酸化の程度はボトム層中のＣｕの原子分率に対する酸素の原子分率の比率として表し、サンプル#１−１〜#１−５についてのこの比率は酸素プラズマ処理時間から推測した推測値として示した。各サンプルのＭＲ変化率は比較例１で得られたＭＲ変化率を１として規格化した。
【００５２】
【表４】
0005316633.tif 000005
【００５３】
ＭＲ変化率は、ボトム層中の金属状態のＣｕが多少酸化されただけで改善される。一方、ボトム層中のＣｕが全て酸化されると（比較例２）、ＭＲ変化率は極端に低下する。ＣｕとＣｕの酸化物の混合物から構成されるボトム層は、酸素の比率によらず、Ｃｕだけからなるボトム層（比較例１）とＣｕの酸化物だけからなるボトム層（比較例２）のいずれよりも良好なＭＲ変化率を示している。ＭＲ変化率はＣｕの原子分率に対する酸素の原子分率の比率が０．５のとき（本実施例では、酸素プラズマ処理時間が６０ｓｅｃのとき）に最大となった。
【００５４】
次に、サンプル#１−３の磁気抵抗効果素子に対して、電子エネルギー損失分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ−Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＥＬＳ））によって、ボトム層の相分析を行った。ＥＥＬＳは、電子線を一定の入射エネルギーで標的物質にあて、散乱強度を測定する材料分析方法である。散乱強度（Ｙ軸）は非弾性散乱によるエネルギー損失（Ｘ軸）の関数として得られる。
【００５５】
図５は、ＥＥＬＳによる分析結果を示しており、図中の上側３本の線がＣｕ、Ｃｕ2Ｏ，ＣｕＯのそれぞれについてのスペクトラムプロファイルを示しており、一番下の線がサンプル#１−３の分析により得られたスペクトラムプロファイルを示している。一番下の線と上側の３本の線とを比べ、前者が後者のいずれかの線と似ている場合は、分析対象にその線に対応する物質が含まれていると考えられる。特徴的なのはＣｕ2ＯとＣｕＯに見られる９４０ｅＶ付近のピークとＣｕに見られる９３０ｅＶ付近の散乱強度の上昇である。
【００５６】
サンプル#１−３のスペクトラムプロファイルにはＣｕの酸化物に特徴的な９４０ｅＶ付近でのピークが観察され（矢印参照）、ボトム層にはＣｕの酸化物が形成されていることがわかる。また、Ｃｕに見られる９３０ｅＶ付近の散乱強度の上昇も観察され、ボトム層にはＣｕも含まれていることがわかる。このようにＣｕ膜の成膜後に酸素プラズマ処理を行うことで酸素の拡散が生じ、ＣｕとＣｕの酸化物の混合物からなるボトム層が形成されることが確認された。
【００５７】
次に、薄膜磁気ヘッド１を搭載した磁気ヘッドスライダについて説明する。図６を参照すると、磁気ヘッドスライダ２１０は、ほぼ六面体形状をなしており、そのうちの一面はハードディスクと対向する記録媒体対向面Ｓとなっている。磁気ヘッドスライダ２１０は、回転駆動される円盤状の記録媒体Ｍであるハードディスクに対向するように、ハードディスクドライブ装置内に配置されている。ハードディスクが図７におけるｚ方向に回転すると、ハードディスクと磁気ヘッドスライダ２１０との間を通過する空気流によって、磁気ヘッドスライダ２１０に、ｙ方向下向きに揚力が生じる。磁気ヘッドスライダ２１０は、この揚力によってハードディスクの表面から浮上するようになっている。磁気ヘッドスライダ２１０の空気流出側の端部（図６における左下の端部）の近傍には、薄膜磁気ヘッド１が形成されている。
【００５８】
図７を参照すると、ヘッドジンバルアセンブリ２２０は、磁気ヘッドスライダ２１０と、磁気ヘッドスライダ２１０を弾性的に支持するサスペンション２２１と、を備えている。サスペンション２２１は、ステンレス鋼によって形成された板ばね状のロードビーム２２２と、ロードビーム２２２の一端部に設けられたフレクシャ２２３と、ロードビーム２２２の他端部に設けられたベースプレート２２４と、を有している。フレクシャ２２３には磁気ヘッドスライダ２１０が接合され、磁気ヘッドスライダ２１０に適度な自由度を与える。フレクシャ２２３の、磁気ヘッドスライダ２１０が取り付けられる部分には、磁気ヘッドスライダ２１０の姿勢を一定に保つためのジンバル部が設けられている。
【００５９】
ヘッドジンバルアセンブリ２２０をアーム２３０に取り付けたものはヘッドアームアセンブリ２２１と呼ばれる。アーム２３０は、磁気ヘッドスライダ２１０をハードディスク２６２のトラック横断方向ｘに移動させる。アーム２３０の一端はベースプレート２２４に取り付けられている。アーム２３０の他端部には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２３１が取り付けられている。アーム２３０の中間部には軸受け部２３３が設けられている。アーム２３０は、軸受け部２３３に取り付けられた軸２３４によって回動自在に支持されている。アーム２３０及び、アーム２３０を駆動するボイスコイルモータは、アクチュエータを構成する。
【００６０】
次に、図８及び図９を参照して、上述した磁気ヘッドスライダが組込まれたヘッドスタックアセンブリとハードディスクドライブ装置について説明する。ヘッドスタックアセンブリとは、複数のアームを有するキャリッジの各アームにヘッドジンバルアセンブリ２２０を取り付けたものである。図８はヘッドスタックアセンブリの側面図、図９はハードディスクドライブ装置の平面図である。ヘッドスタックアセンブリ２５０は、複数のアーム２３０を有するキャリッジ２５１を有している。各アーム２３０には、ヘッドジンバルアセンブリ２２０が、互いに間隔を開けて垂直方向に並ぶように取り付けられている。キャリッジ２５１の、アーム２３０の反対側には、ボイスコイルモータの一部となるコイル２５３が取り付けられている。ボイスコイルモータは、コイル２５３を挟んで対向する位置に配置された永久磁石２６３を有している。
【００６１】
図８を参照すると、ヘッドスタックアセンブリ２５０は、ハードディスクドライブ装置に組込まれている。ハードディスクドライブ装置は、スピンドルモータ２６１に取り付けられた複数枚のハードディスク２６２を有している。ハードディスク２６２毎に、ハードディスク２６２を挟んで対向するように２つの磁気ヘッドスライダ２１０が配置されている。磁気ヘッドスライダ２１０を除くヘッドスタックアセンブリ２５０及びアクチュエータは、位置決め装置に対応し、磁気ヘッドスライダ２１０を支持すると共に、磁気ヘッドスライダ２１０をハードディスク２６２に対して位置決めする。磁気ヘッドスライダ２１０はアクチュエータによって、ハードディスク２６２のトラック横断方向に動かされ、ハードディスク２６２に対して位置決めされる。磁気ヘッドスライダ２１０に含まれる薄膜磁気ヘッド１は、記録ヘッド３によってハードディスク２６２に情報を記録し、再生ヘッド２, １０２によってハードディスク２６２に記録されている情報を再生する。
【符号の説明】
【００６２】
１  薄膜磁気ヘッド
１５  内側磁化固定層
１６  スペーサ層
１６ａ  ボトム層
１６ｂ  主スペーサ層
１６ｃ  非磁性層
１７  磁化自由層
Ｌ１  第１の磁性層
Ｌ２  第２の磁性層
【図２】
0005316633.tif 000006
【図３】
0005316633.tif 000007
【図４】
0005316633.tif 000008
【図５】
0005316633.tif 000009
【図６】
0005316633.tif 000010
【図７】
0005316633.tif 000011
【図８】
0005316633.tif 000012
【図９】
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【図１】
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